冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展.pdf

第 45 卷 第 2 期2024 年 2 月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.45 No.2Feb.2024DOI:10.19650/ki.cjsi.J2311800收稿日期:2023-08-14 Received Date:2023-08-14基金项目:国家自然科学基金(62105102,11134003)、国家重点研发计划项目(2016YFA0302103,2017YFF0212003,2016YFB0501601)、上海市科技重大专项(2019SHZDZX01)、上海市优秀学术带头人计划项目(12XD1402400)资助冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展齐启超,金涛韫,彭成权,孙常越,徐信业(华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室 上海 200241)摘 要:光学原子钟的稳定度和不确定度都已全面进入小数 10-18量级,是目前最精密的时间频率测量工具之一。光学原子钟已在精密测量和基础物理研究等尖端科研领域展现出潜力,并有望重新定义时间单位“秒”。镱原子光钟因其独特的能级优势而成为了目前世界上发展最成熟、研究最广泛的光钟之一。镱原子钟跃迁的绝对频率测量和镱原子相关跃迁光谱的精密测量具有重要意义。综述了冷镱原子光钟的钟跃迁 6s21S0-6s6p 3P0能级绝对频率测量的国内外进展,并介绍以 7.310-16的不确定度测量镱原子钟跃迁绝对频率的实验,测量值为 518 295 836 590 863.300.38 Hz。综述了利用已完成绝对频率测量的镱原子光钟为基准,对镱原子的 649,770 和 1 389 nm 抽运光的对应跃迁绝对频率进行精密测量的结果。关键词:镱原子;光学原子钟;绝对频率测量;精密光谱;精密测量中图分类号:TH714 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:410.55Advances in absolute frequency measurement and related transitions of cold Ytterbium atomic clockQi Qichao,Jin Taoyun,Peng Chengquan,Sun Changyue,Xu Xinye(State Key Laboratory of Precision Spectroscopy,East China Normal University,Shanghai 200241,China)Abstract:At present,the stability and uncertainty of optical atomic clocks have reached the level of 10-18,making them the most precise time-frequency measurement tools.Optical atomic clocks demonstrate potential for advanced scientific research in precision measurements and fundamental physics,potentially redefining the unit of time“second”.Among optical clocks,ytterbium(Yb)atomic clocks stand out due to their unique energy level advantages,making them one of the most mature and extensively researched optical clock candidates worldwide.The absolute frequency measurement of the ytterbium atomic clock transition and the precise measurement of the ytterbium atomic correlation transition spectrum are essential.This article provides an overview of the domestic and international progress in absolute frequency measurement of 6s21S0-6s6p 3P0 clock transition of cold ytterbium atomic clocks.The experiment measures the absolute frequency of Ytterbium atomic clock transition with an uncertainty of 7.310-16 is introduced whose measured value is 518 295 836 590 863.300.38 Hz.Additionally,we present the results of precision absolute frequency measurements of relevant repumping transitions at 649,770,and 1 389 nm,which use the absolute-frequency-measured ytterbium atomic clocks as a reference.Keywords:ytterbium atom;optical atomic clock;absolute frequency measurement;precision spectroscopy;precision measurement0 引 言 时间和频率是测量得最准确的物理量。在国际单位制(international system of units,SI)中,时间单位“秒”以133Cs 原子基态两个超精细能级无扰动时的跃迁频率Cs=9 192 631 770 Hz 定义1。自 1967 年第 13 届国际计量大会正式通过该“秒”定义提案以来,时间频率计量技术飞速发展,以133Cs 原子喷泉钟(如 NIST-F 系列2、NIM-53等)为代表的微波钟的不确定度已经 接 近110-16量级,已经趋近其理论精度极限。第 2 期齐启超 等:冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展3 随着激光冷却与囚禁技术的进步4-5、光学频率梳的成熟6和超稳激光技术的不断发展7-8,以光学频率波段的原子跃迁作为参考的光钟逐渐成为光频标领域的热门研究方向。目前先进光学原子钟的不稳定度和不确定度指标都已全面进入 10-18量级9-10,已经超越目前最好的微波钟。随着相关技术的不断进步,光钟难以连续不间断地运转的问题也在不断被突破11,利用光钟来重新定义时间的单位“秒”的时代很快就会到来12。中性镱原子(171Yb)光频标是二级秒定义,也是新一代秒定义的候选者之一13。171Yb 原子钟跃迁的基态6s21S0和激发态 6s6p 3P0两个能级间的跃迁是自旋和偶极双重禁戒的,激发态的寿命长达 20 s,因而可以获得窄线宽的钟跃迁谱线。171Yb 原子光钟相对其他中性原子光钟有独特的优势,由于171Yb 原子核自旋值较小(I=1/2),基态和激发态均有两个磁子能级,只能激发 2 个 或者 2个 跃迁,使得塞曼频移更易控制,能级结构更加简单。而且晶格光引起的171Yb 原子张量光频移天然为 0,非常适合用于研制高精度光钟14-15。171Yb 光晶格钟所需要的大部分激光处于可见光波段,这给实验操作上带来便利,这些激光易于通过固体激光器和光纤激光器获得,使171Yb 原子光钟有发展为可搬运、小型化和空间光钟的潜力。171Yb 光钟的独特优势促使世界各国都开展了相关研究,包括美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)、日本国家计量院(National Metrology Institute of Japan,NMIJ)、日 本 理 化 研 究 所(Kagaku Kenkyusho/Institute of Physical and Chemical Research,RIKEN)、韩国标准与科学研究院(Korea Research Institute of Standards and Science,KRISS)、意大利国家计量研究所(Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica,INRIM)等。国内主要 研 究 单 位 为 华 东 师 范 大 学(East China Normal University,ECNU)和武汉中科院精密测量科学与技术创新研究院(Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology,APM)。世界上最好的镱原子光钟的频率不稳定度为 1.510-16/,在约 36 h 的测量时间后达到 4.510-19,系统不确定度为 1.410-1810。NIST 还展示了零死时间镱原子光钟,稳定度达到了 610-17/16。随着光学原子钟指标的提升,对时间频率的测量达到了空前的精度,以光钟为代表的光频标的发展不仅和人类生产生活息息相关,更有力地推动了尖端科学研究的发展。在相对论大地测量学17-20、多体物理和量子模拟21-24、基本物理常数的稳定性测量25-28、引力波探测29-31、暗物质探测和洛伦兹不变性检验等一些前沿研究领域光钟都展现出巨大的应用价值32-35。镱原子光钟系统已经成为推动科学技术进步的有力工具。对 Yb 原子的相关跃迁光谱的研究和精密测量,尤其是 578 nm 钟跃迁的绝对频率测量是目前重要的一个研究课题。对 Yb 光钟 1 389、649、770 nm 等相关跃迁频率的准确测量,对于提升光钟跃迁谱的信噪比,降低光钟功耗等具有重要的意义。这些能级的准确测量也可以为相关理论计算提供更准确的参考。本文将综述冷镱原子光钟的 578 nm 钟跃迁绝对频率测量的进展,并着重介绍对171Yb 原子的 1 389、649、770 nm 等相关跃迁频率进行精密测量的最新结果。1 镱原子光钟绝对频率测量概述镱原子光钟的绝对频率测量主要通过两种方式溯源,一种是溯源到现行 SI 秒定义 Cs 原子钟,另一种是通过与其他二级秒定义光钟跃迁进行比对。光学原子钟经过多年的发展,尽管其指标已经超过微波钟,但是其绝对频率测量仍然需要溯源到现行秒定义,即133Cs 原子钟。主要原因体现在如下 4 个方面36-37。1)目前 SI 秒的频率标准的精度最终由 Cs 原子钟来定义。自确立 Cs 原子秒定义以来,世界范围内已经建立了成熟完备的 Cs 标准钟网络,以支持国际间可比较的频率标准的转移,并确保各个国家的主要频率标准在一定的不确定度内一致。Cs 原子频标仍是现阶段最普适的频率标准,为了确保不同原子钟的测量结果间具有可比性,光钟测量绝对频率的过程需要参考到 SI 秒。2)新一代秒定义具体选择单个原子跃迁或是几个原子跃迁的集合还没有定论。国际时间及频率咨询委员会(Consultative Committee for Time and Frequency,CCTF)于 2022 年最新的会议上发布了一份关于新一代秒定义的决议12,给出了重新定义 SI 秒的路线图和强制性前提条件,并且排出了时间表。决议中认为重新定义秒具体是选哪个跃迁还没有形成共识。事实上各种光钟之间处于竞争态势,因此不同原子跃迁的光钟进行绝对频率测量并向国际计量局(Bureau International Des Poids Et Mesures,BIPM)进行报数是必要的。3)尽管近年来基于光纤和空间光的光频标传输实验已经开展38-39,但是事实上,光钟的远距离比对尤其是洲际间直接比对还不成熟,而溯源到 SI 秒是相对容易的。4)溯源光钟到 SI 秒 Cs 钟可以实现长期稳定测量。在一些例如精细结构常数测量和暗物质探测的实验中,可以通过与 Cs 钟的频率长时间比对限制可能的线性漂移和基本常数与引力势之间可能的耦合36,40。1.1 ECNU 镱原子光钟绝对频率测量国内目前华东师范大学的171Yb 光钟于 2020 年完成绝对频率测量,通过与中国计量院(National Institute of Metrology,NIM)合作,用 NIM 协调世界时(UTC-NIM5)溯源到 SI 秒测得的绝对频率为518 295 836 590 863.300.38 Hz,4 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷不确定度为 7.5310-16,并且向 CCTF 提交了冷镱原子光钟的绝对频率测量值并在同年被 CCTF 采纳13。这是我国首次向国际组织成功上报的镱原子绝对频率数据,为我国建立基于光钟的新一代时间频率计景体系奠定了技术基础,对新一代秒定义有重要意义,也为我国在国际上重新定义秒的问题中争得发言权和主动地位41。1)实验装置实验装置如图 1 所示,分为 4 部分,超稳钟激光系统、冷原子系统、光学频率梳系统和溯源链路系统。溯源链路如图 2 所示。图 1 ECNU 171Yb 光钟绝对频率测量装置41Fig.1 Absolute frequency measurement schematics of ECNU 171Yb optical clock41图 2 本地氢钟溯源到 SI 秒的链路41Fig.2 The local hydrogen clock traced to SI seconds412)光钟跃迁系统频移项评估获得冷镱原子光钟钟跃迁的绝对频率值,通常需要两步校准工作,分别是对光钟本身进行系统频移评估和对钟跃迁频率测量值进行校准。对于镱原子光钟,系统频移主要包括晶格光频移、碰撞频移、黑体辐射频移、塞曼频移等。(1)晶格光频移两台光钟通过同步比对,定量评估不同晶格光频率下钟跃迁频移与晶格势阱深度的关系。线性晶格光频移量为 539.1 mHz,对应的不确定度为 8.110-17。根据超极化率系数评估非线性晶格光频移42为-104.9 mHz,不确定度为 7.110-18。(2)碰撞频移通过改变装载到光晶格中的原子数,评估碰撞频移量为-241.8 mHz,对应的不确定度为 6.2910-17。(3)黑体辐射频移评估光钟的黑体辐射频移需要精确得到原子团附近的温度,共布置了 8 个温度探头,利用测得温度数据进行腔中心附近原子团温度的有限元仿真,黑体辐射频移估计为-1 263.1 mHz,不确定度为 4.710-17。(4)塞曼频移镱原子光钟通过双峰闭环锁定可有效抑制一阶塞曼频移43。背景磁场的线性漂移对应的剩余一阶塞曼频移评估为 0.002 mHz,不确定度110-18。二阶塞曼频移项正比于磁场的平方,评估得到二阶塞曼频移为-77.230.1 mHz,对应的不确定度为 6.2910-17。其余频移项的频移值及不确定度都较小,例如由钟探询光引起的 Stark 频移和由伺服反馈引起的频移等。3)钟跃迁频率测量值的校准为将冷镱原子的钟跃迁最终溯源至 SI 秒,ECNU 与NIM 之间搭建卫星链路,获得协调世界时(UTC-NIM)和ECNU 本地氢钟的相对频差,同时 ECNU 光钟已实现闭环锁定,可以将绝对频率测量溯源到 UTC,并最终溯源到SI 秒定义上。(1)本地测频系统不确定度的评估将 ECNU 本地冷镱原子钟跃迁频率溯源至 SI 秒定义,存在 4 组数据需用于绝对频率的计算,分别是光梳参考至氢钟后,ECNU 本地钟跃迁频率的测量数据;UTC(NIM)和本地氢钟间的校准数据;UTC-NIM 和 UTC 间的校准数据;国际原子时(international atomic time,TAI)和SI 间的校准 d。4 组数据及其对应的时间跨度如图 3 所示,用约化儒略日(modified julian dates,MJD)表示。图 3 ECNU 绝对频率的溯源过程41Fig.3 Tracing process of ECNU absolute frequency41 第 2 期齐启超 等:冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展5 ECNU 本地钟跃迁频率通过参考到氢钟的光梳测得,根据氢钟的噪声评估死时间对应的不确定度为4.8910-16,而 光 梳 测 得 本 地 钟 跃 迁 频 率 为518 295 836 587 542.3 Hz。同步比对过程中引入的相对不稳定度为 4.610-1644。(2)本地氢钟追溯到 TAI 传输链路的评估在将 ECNU 本地氢钟溯源至 TAI 过程中,主要引入的不确定度项有 ECNU 本地氢钟的频率漂移,追溯到TAI 链路的不确定度及 UTC-NIM 的不确定度。通过UTC-NIM 对氢钟的校准,得到氢钟漂移引入的不确定度为 8.610-17。根据 BIPM 发布的 Circular T,得到 UTC 和 UTC-NIM的相对频差为 1.6210-15,通过测量参考到 UTC-NIM 的另一台氢钟的数据并考虑该台氢钟的噪声参数,得到UTC-NIM 的不确定度为 1.9110-16。(3)TAI 追溯到 SI 项评估TAI 与 SI 的校准 d,d 为一个月的平均值,从 Circular T 中 提 取 绝 对 频 率 测 量 期 间 的 数 据,算 得 d 值 为-3.510-16,不确定度为 1.410-16,其中 d 为 TAI-SI 在一月内校准的平均值,UTC 的噪声参数由 BIPM 给出,评估不确定度为 2.8810-16。(4)引力红移项评估针对引力红移的评估,根据 GPS 数据测得171Yb 原子正高水平线为 3.10.3 m,不确定度归因于潮汐效应的动态部分偏差,最终引力红移评估为 0.180.02 Hz。4)ECNU 绝对频率测量结果ECNU 绝对频率测量结果如表 1 所示,最终 ECNU 171Yb 光钟通过 UTC-NIM 溯源到 SI 秒测得的绝对频率为518 295 836 590 863.300.38 Hz,不确定度为 7.5310-16,与2017 年 CIPM 的推荐值518 295 836 590 863.600.26 Hz吻合。1.2 镱原子光钟绝对频率测量国际进展 1)NISTNIST 所研制的171Yb 光学原子钟是目前国际上指标最好的 Yb 光钟10。NIST 目前还在推动小型化光晶格钟的研制工作,以用于下一代的大地测量和光钟间的比对工作,为重新进行秒定义打好基础。2009 年,NIST 成功地将171Yb 原子囚禁到光晶格中,并评估了包括碰撞、晶格光等引起的频移,当时评估的系统不确定度在 3.410-16,其中最大的一项是黑体辐射(BBR)频移。他们测量的 Yb 光钟相比于Cs 喷 泉 钟(NIST-F1)的 钟 跃 迁 绝 对 频 率 为518 295 836 590 865.20.7 Hz45。在 2019 年 NIST 再次进行了对171Yb 1S0-3P0能级绝对频率的测量工作,并利用基于卫星的时间频率传输链路来进行溯源。本次测量的数据时间跨度达 8 个月,表 1171Yb 光钟绝对频率测量不确定度评估41Table 1 Uncertainty budget for the absolute frequency measurement of the clock transition in 171Yb41不确定度来源评估项不确定度(10-16)Yb1光梳本地氢钟-UTC(NIM)-TAITAI-SI引力红移总计系统频移1.27统计不确定度0.01光钟运行死时间4.89光频合成0.01射频分配和合成1.00计数器0.16氢钟的频率漂移0.86到 TAI 的链路3.43UTC(NIM)外推1.91d1.40TAI 外推2.880.397.29共有 79 次的实验数据,测得的钟跃迁绝对频率值为518 295 836 590 863.71 0.11 Hz,相 对 不 确 定 度 为2.110-16,这是绝对频率测量系统不确定度首次受到 SI秒精度的限制,这也一定程度上证明了重新进行秒定义的必要性46。在 2021 年,NIST 的 Yb 光钟与美国实验天体物理联合实验室(JILA)的 Sr 光钟通过两地之间 1.5 km 的空间链路进行了比对。同时也通过光纤对 NIST 的 Yb 光钟与Al+离子钟进行比对,如图 4 所示。这项工作的创新点在于首次将基于 3 种不同原子的光钟同时进行比对,也是首次通过空间光频传输链路进行光钟比对。在将 NIST的 Yb 钟与 JILA 的 Sr 钟进行比对时,采用了自由空间双向光频传输链路(optical two-way time frequency transfer,O-TWTFT),同时也通过光纤链路进行比对。实验结果表明 O-TWTFT 自由空间链路的性能与光纤链路相当,而相比于传统的无线传输方法精确了 1 000 倍。最终测得vYb/vSr=1.207 507 039 343 337 848 2 8.2 10-18,vAl+/vYb=2.162 887 127 516 663 7031.310-17。不同于以往的直接测量钟跃迁频率,测量基于不同原子的钟跃迁频率比不会受到目前国际标准的 Cs 微波钟的精度限制。基于本次工作搭建的光学时钟网络,可以用于探索物理学的前沿工作,如在更加严格的水平下测试爱因斯坦相对论,验证精细结构常数是否不变等38。2)NMIJ2009 年,NMIJ 利用可溯源到 TAI 的协调世界时(UTCNMIJ)锁定光学频率梳,再用光梳对171Yb 光钟的钟6 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷图 4 NIST 与 JILA 的光学时钟网络38Fig.4 Atomic clock network system of NIST and JILA38激光进行测频,初步测量了171Yb 光钟的绝对频率,测量值为 518 295 836 590 86428 Hz。早期的光钟受限于钟激光线宽且没有实现归一化钟跃迁探测和闭环锁定,晶格光“魔术波长”不准确引起较大的光频移,测量不确定度较大47。NMIJ 于 2012 年 对 绝 对 频 率 进 行 了 复 测,通 过1 064 nm 的窄线宽激光器锁定光梳,将钟激光线宽的提升到 Hz 量级,进一步优化晶格光频率和实现归一化探测,钟跃迁信噪比得到明显提升,溯源到 SI 秒后测得绝对频率为 518 295 836 590 863.12 Hz48。2020 年,NMIJ 报道了171Yb 光钟长时间连续稳定运行并通过卫星链路进行绝对频率测量的结果,这台光钟在半年内(2019 年 9 月2020 年 3 月)有 80.3%时间在有效运转,在有效数据的前 24 d 平均运行覆盖率达到 93.9%,后35 d 平均达到 92.6%,证明了光钟可长期稳定运行的潜力,并提供了丰富的光钟长期运行的细节,如图 5 所示。通过近半年几乎不间断地与 TAI 进行频率比对,与 SI 秒的不确定度低至小数 10-16量级,测得钟跃迁绝对频率518 295 836 590 863.540.26 Hz11。图 5 NMIJ Yb 光钟高覆盖率运行中断因素11Fig.5 Distribution of interrupting events during the full campaign period operation of NMIJ Yb clock112022 年,NMIJ 通过搜集和分析时间跨度为 298 d(2020 年 11 月 17 日2021 年 9 月 11 日)的绝对频率测量数据尝试寻找超轻量暗物质。数据分为两段,分别涵盖 2020 年 11 月 17 日开始的以 64.4%覆盖率运行 25 天的数据和 2021 年 8 月 2 日开始的以 74.5%覆盖率运行40 d 的数据,总覆盖率为 15.4%。研究者从 NMIJ-Yb1 和NMIJ-F2 的长期比较数据中寻找谐波振荡信号,通过光钟的长期运行扩展了暗物质搜索的发现范围。本次公布的171Yb光钟的绝对频率为 518 295 836 590 863.690.28 Hz40。NMIJ 在近 15 年的时间里不断进行171Yb 光钟和133Cs钟的频率比对并持续公布171Yb 钟跃迁绝对频率的测量结果。通过不断优化系统的鲁棒性,证明了光钟可长期稳定运行的潜力。NMIJ 的研究者认为光钟鲁棒性的提升不仅是新一代秒定义的需求,也应该有助于寻找暗物质和基本常数的变化和拓扑缺陷等。3)RIKENRIKEN 在171Yb 光钟的相关研究中,通过对171Yb、87Sr和199Hg 光钟分别进行频率比对,致力于实现小于 SI 秒的不确定度的钟跃迁频率测量。2016 年,他们在4 个月内对171Yb/87Sr 频率比进行了 10次测量,获得频率比 Yb/Sr=1.207 507 039 343 337 749(43)sys(35)stat,分数不确定度 8.410-1749;于 2020 年测量了199Hg 光 钟 相 对171Yb 光 钟 的 频 率 比,Hg/Yb=2.177 473 194 134 565 07(19),分 数 不 确 定 度 为8.810-1750。结 合 2015 年 他 们 报 导 的 Hg/Sr=2.629 314 209 898 909 60(22),分 数 不 确 定 度 8.4 10-1751,以及已报导的频率比的加权平均值,实现 3 种晶格钟的频率闭环验证,相关的实验如图 6 和 7 所示,获得的结果为(Hg/Yb)(Yb/Sr)(Sr/Hg)-1=0.4(1.3)10-16,验证了光学晶格钟的频率再现性,突破了与目前国际单位制秒做比对所能达到的范围,证明仅用光钟环路可以探测超出 SI 限制的频率不确定度50。图 6 RIKEN Yb/Sr 频率比测量的实验装置49Fig.6 Frequency ratio Yb/Sr scheme of RIKEN49 第 2 期齐启超 等:冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展7 图 7 RIKEN Hg/Yb 频率比测量的实验装置50Fig.7 Frequency ratio Hg/Yb scheme of RIKEN504)KRISSKRISS 于 2013 年初步测量了171Yb 钟跃迁的绝对频率,利用氢钟锁定光学频率梳进行频率测量,将其与地球时(TT)进行比较,得到原子钟 跃 迁 的 频 率 为518 295 836 590 863.58.1 Hz,分 数 不 确 定 度 为1.510-14,其指标受限于当时钟激光的稳定度52。2017 年 他 们 通 过 溯 源 到 SI 测 得 绝 对 频 率 值518 295 836 590 863.380.57 Hz,相较于之前的装置,最显著的改进在于光学晶格的功率增强腔。在持续 10 d的测量中光钟运行时间占总测量时间的 34%。由于在降低系统不确定性方面的显著改进,结果与其 2013 年的报告的值52相比,不确定度降低了 14 倍,不确定度主要来源于溯源到 TAI 的链路53。2021 年,KRISS 报导了长达 14 个月(2020 年 1 月2021 年 2 月)的171Yb 钟跃迁绝对频率测量结果,如图 8所示,有 效 数 据 总 时 长 为 400.5 h,绝 对 频 率 为518 295 836 590 863.750.14 Hz,相对频率不确定度为2.610-1654。图 8 KRISS 2021 年绝对频率测量装置54Fig.8 Absolute frequency measurement schematics of KRISS in 2021545)INRIMINRIM 的镱原子55于 2016 年测量了171Yb 光钟相对于 低 温 铯 喷 泉 钟(ITCsF2)的 绝 对 频 率 为518 295 836 590 863.590.31 Hz,相对不确定度为5.910-16。2019 年 INRIM 开展了第 2 轮绝对频率的测量,采用图 9 所示氢钟链路(上半部分)。实验使用的 FP 腔为ULE 材料的 10 cm 水平腔,提高了钟光性能。溯源到 SI测得171Yb 光钟的绝对频率为 518 295 836 590 863.610.13 Hz,相对不确定度为 2.610-16。整个测量过程持续了 5 个月56。图 9 INRIM 绝对频率测量实验装置57Fig.9 Absolute frequency measurement schematics of INRIM in 2022572022 年再次进行了绝对频率测量工作,INRIM 改进了晶格光频移和静态 Stark 频移的评估并改用直接与 Cs钟比对进行绝对频率测量,采用图 9 所示链路(下半部分)。通过将原本的水平光晶格变为垂直光晶格,从而能够降低光钟运行时的晶格势阱深度,有利于减少碰撞频移和降低晶格光频移;在腔体周围布置了 8 个电极评估静态 Stark 频移。IT-Yb1 相对于 ITCsF2 测量的绝对频率为 518 295 836 590 863.440.14 Hz,相对不确定度为2.710-16,主要受限于低温 Cs 喷泉钟 ITCsF2 的不确定度,这是目前 Yb 和 Cs 喷泉钟比对进行绝对频率测量的最新结果,测量过程持续了 14 个月57。1.3 镱原子光钟绝对频率测量汇总 镱原子光钟绝对频率测量汇总如图 10 所示,其中阴影区域代表 CIPM 171Yb 钟跃迁的推荐值及不确定度,数据来源于文献13。图 10 镱原子光钟绝对频率测量汇总Fig.10 Summary of absolute frequency measurements for ytterbium clock8 仪 器 仪 表 学 报第 4 5 卷2 抽运光 1 389 nm 跃迁绝对频率测量 对于171Yb 原子 6s6p 3P0能级的超精细结构,只有F=1/2 一个能级。而对于 5d6s 3D1能级来说电子总角动量量子数 J=1,因此有 F=1/2 和 F=3/2 两个超精细能级。171Yb 的相关能级图如图 11 所示,1 389 nm 为抽运激光。图 11171 Yb 相关能级图58Fig.11171 Yb related energy level diagram58在跃迁过程中,由于钟跃迁激发态的寿命很长,原子被激发至 6s6p 3P0态后无法自发地快速返回基态,因此需要使用 1 389 nm 的抽运光,将 6s6p 3P0态的原子抽运至 5d6s 3D1态,帮助原子经过3D13P13P01S0通道快速返回基态49,59。因此,研究其超精细结构能级分裂和相应的绝对频率对于镱原子光钟有重要意义。2.1 ECNU 测量 1 389 nm 跃迁绝对频率 1)实验方法华东师范大学测量1 389 nm 跃迁绝对频率所用到的实验装置如图 12 所示。实验中扫描 1 389 nm 激光频率,采用电子搁置法60探测 1 389 nm 共振峰,获得的谱线接近自然线宽。图 12 6s6p 3P05d6s 3D1跃迁测量实验装置58Fig.12 Diagram of 6s6p 3P05d6s 3D1 transition frequency measurement582)频移测量及不确定度评估考虑特定原子跃迁的绝对频率时,各种系统效应引起的频移是不能忽略的。实验中,单独对晶格光功率、磁场、原子数以及 1 389 nm 光强进行改变,以测量各项频移,最终得到 6s6p3P0(F=1/2)5d6s3D1(F=1/2,3/2)跃迁的系统频移及其相关的不确定度如表 2 所示。表 2 6s6p 3P0(F=1/2)5d6s 3D1(F=1/2,3/2)跃迁频移项及不确定评估表58Table 2 Frequency shift term and uncertainty evaluation table for 6s6p 3P0(F=1/2)5d6s 3D1(F=1/2,3/2)transition581 389 nm(F=1/2F=1/2)/kHz(F=1/2F=3/2)/kHz晶格光-1 17054-1 19752一阶塞曼722011317二阶塞曼-153-213碰撞432811221探测光1151总计-1 06964-98859 3)绝对频率和超精细常数使用光梳测量激光的频率,由于171Yb 的钟跃迁是SI 秒的二级秒定义,通过 578 nm 激光探询的钟跃迁谱可以溯源到其绝对频率,最终结果如图 13(a)和(b)所示。图 13 1 389 nm 绝对频率测量结果58Fig.13 Absolute frequency measurement results at 1 389 nm58测量得到的 6s6p 3P0(F=1/2)5d6s 3D1(F=1/2)跃迁 的 绝 对 频 率 值 为 215 872 182.84 (0.09)stat(0.05)sys MHz,6s6p 3P0(F=1/2)5d6s 3D1(F=3/2)跃迁的绝对频率值为 215 869 125.43(0.11)stat(0.05)sys MHz。这是国际上首次报导该跃迁绝对频率测量结果。根据两个超精细跃迁绝对频率的测量结果,可以得到 5d6s 3D1态对应的超精细分裂和磁偶极子 A 系数分别为 3 057.41 0.16 MHz 和-2 038.27 0.11 MHz。如图 14 所示,相比以往的测量结果61-63,精度提升了 1 个数量级。第 2 期齐启超 等:冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展9 图 14 5d6s3D1态磁子能级分裂间距及磁偶极系数理论及实验结果比较Fig.14 Comparison of theoretical and experimental results on the energy level splitting and magnetic dipole coefficient of 5d6s 3D1 state magnetons2.2 5d6s 3D1能级跃迁研究现状 该能级超精细能级间的相对频移可以表示为:=EHFS2h=A2K(1)式中:A 代 表 磁 偶 极 系 数。1999 年,Bowers 等62用408 nm 的激光对热镱原子激发,通过对该光谱的分析可得到同位素频移以及精细结构常数,由此得到了磁偶极系数 A 的实验值为-2 0402 MHz。2012 年,Beloy 等63测量了 6s6p 3P1和 5d6s 3D1的辐射寿命,报道了理想的 300 K 黑体环境引起的时钟偏移精度为 0.05%,得到了磁偶极系数 A 的实验值,结果为-2 04747 MHz。2019 年,Kozlov 等61报道了171Yb 5d6s 3D1态磁偶极系数 A 的理论值,为-2 349 MHz。2023 年,Ai 等58也报道了基于冷镱原子光钟测量的磁偶极系数 A 的实验值,结果为-2 038.270.11 MHz同时 华 东 师 范 大 学 在 国 际 上 首 次 报 道 6s6p 3P0(F=1/2)5d6s 3D1(F=1/2,3/2)的绝对频率分别为 215 872 182.84(0.09)stat(0.05)sys MHz和215 869 125.43(0.11)stat(0.05)sys MHz。3 抽运光 649 nm 跃迁绝对频率测量3.1 相关能级研究现状 近年来,冷镱原子在光学原子钟10,43,49、宇称守恒64-65及量子简并气体66-67研究中引起了广泛的关注。原子光钟的钟激发态为亚稳态,其寿